一种基于石墨烯的水处理装置及方法
【专利摘要】本发明提供一种基于单层氧化铁?石墨烯的电催化水处理装置及方法，在制备过程中使本应该使金属电极失活的金属氧化物成为具有催化活性的纳米涂层，得到高效的污染物去除效果，该方法关键点在于合成单层氧化铁，以及制作单层氧化铁电极的工艺，使大规模工业应用成为可能，不仅如此，单层氧化铁?石墨烯的多维电极对环境无任何污染，针对不同的处理废水可定制和改性，改装版本的设备同样适用于土壤修复，应用范围广泛。
【专利说明】
一种基于石墨烯的水处理装置及方法
技术领域
[0001]本发明涉及污水处理技术领域，尤其是涉及一种基于单层氧化铁-石墨烯的电催化水处理装置及方法。
【背景技术】
[0002]人类的活动会使大量的工业、农业和生活废弃物排入水中，使水受到污染，目前，全世界每年约有4200多亿立方米的污水排入江河湖海，污染了 5.5万亿立方米的淡水，这相当于全球径流总量的14%以上。
[0003]—般处理印染废水采用高温氧化、混凝气浮、活性污泥和电化学等方法，其中电化学方法有可能较好的符合“清洁方法”的要求，电化学技术作为一种迅速发展的手段，在净化环境的工作中日益显出独特的优越性，电化学处理废水一般无需很多化学药品，后处理简单，占地面积小，管理方便，污泥量很少，故被称为清洁处理法。
[0004]目前电催化阴极主要采用金属电极，例如银，铜，铁;其中又以金属铁电极最为便宜因此应用广泛。然而，铁或者其他金属电极在使用过程中极易被氧化，在表面会附着一层金属氧化物层，从而使处理效率大幅降低，甚至完全无法去除污染物。
[0005]为了解决上述问题，专利CN103241796A和CN203513401U使用石墨烯材料结合金属氧化物进行微电解，虽然提高了吸附效果，然而该方法不能实现大量、低成本制备高质量的石墨烯的需求，为大面积除污需要大规模的工业化生产带来了难题，另外对阴极金属的保护也未起到积极的效果；专利CN102070230A虽然也采用了三维电极氧化处理废水，解决了铁电解易氧化的问题，但是由于采用的是铁板作为牺牲阳极，所需电压5-20V，能耗不仅高，且仅能够电解30cm2的污水，且更换和安装都需要专业技术人员，无法满足企业改装和定制的需求。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于为了解决上述问题而提供一种既能够根据不同的处理废水和目标选用改性的纳米涂层材料，又能够解决的金属电极失活的低能耗污水处理方法，在制备过程中使本应该使金属电极失活的金属氧化物成为具有催化活性的纳米涂层，得到高效的污染物去除效果，该方法关键点在于合成单层氧化铁，以及制作单层氧化铁电极的工艺，使大规模工业应用成为可能，不仅如此，单层氧化铁-石墨烯的多维电极对环境无任何污染，针对不同的处理废水可定制和改性，改装版本的设备同样适用于土壤修复，应用范围广泛。
[0007]本发明通过以下技术方案来实现上述目的，本发明的基于石墨烯的水处理方法，其特征在于，
包括一反应器装置进行污水处理，
所述反应器装置包括一反应器、一盖板、η个可移动插板(η为大于3的整数)、一进水管、一出水管、一滤芯、一控制盒和一直流电源。
[0008]所述反应器装置的反应器用聚乙烯板制成，具有一定容积，内装有填料，所述盖板位于反应器之上，盖板与反应器连接位置处对称布置微压力传感器。
[0009]可移动插板等间距布设在盖板的插槽上，可移动插板内装有金属氧化物电极(单层氧化铁电极)产品，可移动插板和盖板与直流电源之间采用有线电连接，石墨电极分别紧贴在反应器两侧的壁上，与直流电源电线连接。
[0010]反应器两端分别连接一出水管和进水管，所述滤芯位于出水管和反应器之间，所述控制盒控制进水阀的开关以及直流电源的开关，以及将测水量数据上传至计算机，计算机根据进水量、通电时间和除污效果打印报告。
[0011]所述滤芯由多孔骨材和缠绕在其上的粗纱组成，粗纱中含有聚苯硫醚纤维、聚酯纤维、聚丙烯纤维、聚酰胺纤维、棉纤维中的一种或几种，
有效容积为1L，填料采用ZK30活性炭填料。
[0012]所述微压力传感器为四个，均匀布置在反应器边沿，控制盒实时采集压力传感器信号，并传输给计算机，计算机根据所测压力判断金属氧化物电极的使用状况，当金属氧化物电极的重量变化超过预设值，控制盒发出预警信息，提示用户更换可移动插板内的纳米合成金属氧化物电极产品。
[0013]直流电源电压为I?2伏。
[0014]所述金属氧化物电极为单层氧化铁电极。
[0015]—种基于石墨稀合成单层金属氧化物的制备方法，其特征在于:包括预处理、合成单层氧化铁、制作单层氧化铁电极。
[0016]预处理包括碱洗、喷砂和刻蚀步骤；
第1.1步碱洗:为了去除铁板表面的油渍，将乳制打磨后的铁板放入沸腾的5%Na--2C03溶液中，保持Ih，取出后在80° C等离子清洗机中清洗5min;
第1.2步喷砂:除去表面的氧化膜，露出金属表面，并使表面粗化，提高表面积，在金刚砂粒度为120-150μπι、空气压力为3.5 X 15Pa的条件下将表面清洁平整的纯铁板进行喷砂处理，喷砂后用大量的自来水清洗，再用去离子水清洗，以除去表面残留的砂粒和金属肩；第1.3刻蚀步:为了获得均匀的腐蚀坑，将铁板放入10%草酸溶液中进行刻蚀，在95° C保持2h，取出后放入80° C等离子清洗机中清洗1分钟，烘干。
[0017]合成单层氧化铁步骤包括:
第2.1步合成单层氧化铁-石墨烯GRC12:将含有月桂酸的亚铁溶液在控制酸碱度的条件下缓慢氧化，得到的单层氧化铁-石墨烯GRC12在控氧条件下用酒精清洗后冷冻干燥；
第2.2步氧化单层氧化铁-石墨烯GRC12:将干燥好的单层氧化铁-石墨烯GRC12暴露在空间中，适度氧化；
第2.3步分层氧化后的单层氧化铁-石墨烯GRC12得到单层氧化铁:将氧化后的单层氧化铁-石墨烯GRCl2分散在NaOH溶液中，得到的悬浊液经过酒精溶液清洗干净后，即可得到单层氧化铁溶液。
[0018]制作单层氧化铁电极步骤包括:
第3.1步二维电极制作:氧化铟锡电极首先在聚二甲基二烯丙基氯化铵浸泡充分，清水冲洗后在单层氧化铁溶液浸泡，即可得到一层氧化铁电极;重复以上步骤，即可得到多层氧化铁电极； 第3.2步多维电极制作:在传统的二维电解电极间装填工作电极，形成多维电极结构，而工作电极的镀层方法采用第2.1步所述方法；
第3.3步单层氧化铁-石墨烯电极多维电极制作:利用层层组合法，交替的度上单层氧化铁和石墨烯，采用第2.1步所述方法。
[0019]本发明的有益效果在于:在使用单层氧化铁电极作为电催化阴极的供给，由于使金属电极失活的金属氧化物成为具有催化活性的纳米涂层，得到高效的污染物去除效果，有利于企业大范围除污，另外，由于采用微压力传感器测量电极的重量的变化，使安装、运行和维护简单，无需专业人员，减少由于未及时更换合成电极产品而长时间滞留的现象，能够针对不同的处理废水提供最优化处理方案，适用范围广泛;另外有控制盒的存在，在电源电压异常时，能及时报警，防止过大电压对电极的损坏;此外，改装版本的设备同样适用于土壤修复，应用范围广泛。
【附图说明】
[0020]图1是本发明的系统结构示意图。
[0021]1.反应器;2.进水管;3.直流电源;4.可移动插板;5.单层氧化铁电极;6.盖板;7.控制盒;8.计算机;9.滤芯；10.出水管；11.微压力传感器;12.进水阀。
【具体实施方式】
[0022]下面结合附图对本发明作进一步说明:
包括一反应器装置进行污水处理，
所述反应器装置包括一反应器1、一盖板6、n个可移动插板4(n为大于3的整数)、一进水管2、一出水管10、一滤芯9、一控制盒7和一直流电源3。
[0023]所述反应器装置的反应器I用聚乙烯板制成，具有一定容积，内装有填料，所述盖板6位于反应器I之上，盖板6与反应器I连接位置处对称布置微压力传感器11。
[0024]可移动插板4等间距布设在盖板6的插槽上，可移动插板4内装有金属氧化物电极5(单层氧化铁电极)产品，可移动插板4和盖板6与直流电源3之间采用有线电连接，石墨电极分别紧贴在反应器两侧的壁上，与直流电源3电线连接。
[0025]反应器I两端分别连接一出水管10和进水管2，所述滤芯9位于出水管10和反应器I之间，所述控制盒7控制进水阀2的开关以及直流电源3的开关，以及将测水量数据上传至计算机8，计算机8根据进水量、通电时间和除污效果打印报告。
[0026]所述滤芯9由多孔骨材和缠绕在其上的粗纱组成，粗纱中含有聚苯硫醚纤维、聚酯纤维、聚丙烯纤维、聚酰胺纤维、棉纤维中的一种或几种。
[0027]有效容积为1L，填料采用ZK30活性炭填料。
[0028]所述微压力传感器11为四个，均匀布置在反应器I边沿，控制盒7实时采集压力传感器信号，并传输给计算机8，计算机8根据所测压力判断金属氧化物电极的使用状况，当金属氧化物电极5的重量变化超过预设值，控制盒7发出预警信息，提示用户更换可移动插板4内的纳米合成金属氧化物电极5产品。
[0029]直流电源3电压为I?2伏。
[0030]所述金属氧化物电极为单层氧化铁电极。[0031 ] 一种基于石墨稀合成单层金属氧化物的制备方法，其特征在于:包括预处理、合成单层氧化铁、制作单层氧化铁电极。
[0032]预处理包括碱洗、喷砂和刻蚀步骤；
第I.I步碱洗:为了去除铁板表面的油渍，将乳制打磨后的铁板放入沸腾的5%Na--2C03溶液中，保持Ih，取出后在80° C等离子清洗机中清洗5min;
第1.2步喷砂:除去表面的氧化膜，露出金属表面，并使表面粗化，提高表面积，在金刚砂粒度为120-150μπι、空气压力为3.5 X 15Pa的条件下将表面清洁平整的纯铁板进行喷砂处理，喷砂后用大量的自来水清洗，再用去离子水清洗，以除去表面残留的砂粒和金属肩；第1.3刻蚀步:为了获得均匀的腐蚀坑，将铁板放入10%草酸溶液中进行刻蚀，在95° C保持2h，取出后放入80° C等离子清洗机中清洗1分钟，烘干。
[0033]合成单层氧化铁步骤包括:
第2.1步合成GRC12:将含有月桂酸的亚铁溶液在控制酸碱度的条件下缓慢氧化，得到的GRC12在控氧条件下用酒精清洗后冷冻干燥；
第2.2步氧化GRC12:将干燥好的GRC12暴露在空间中，适度氧化；
第2.3步分层氧化后的6此12得到单层氧化铁:将氧化后的61^12分散在NaOH溶液中.得到的悬浊液经过酒精溶液清洗干净后，即可得到单层氧化铁溶液。
[0034]制作单层氧化铁电极步骤包括:
第3.1步二维电极制作:氧化铟锡电极首先在聚二甲基二烯丙基氯化铵浸泡充分，清水冲洗后在单层氧化铁溶液浸泡，即可得到一层氧化铁电极;重复以上步骤，即可得到多层氧化铁电极；
第3.2步多维电极制作:在传统的二维电解电极间装填工作电极，形成多维电极结构，而工作电极的镀层方法采用第2.1步所述方法；
第3.3步单层氧化铁-石墨烯电极多维电极制作:利用层层组合法，交替的度上单层氧化铁和石墨烯，采用第2.1步所述方法。
[0035]本发明是对现有技术进行了改进，故实施过程中借鉴了现有技术，限于篇幅，未对现有技术部分进行详细描述;凡是本发明未提及的技术部分，均可以采用现有技术实现。
[0036]以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.一种基于石墨烯的水处理装置，其特征在于， 包括一反应器装置进行污水处理， 所述反应器装置包括一反应器、一盖板、η个可移动插板(η为大于3的整数)、一进水管、一出水管、一滤芯、微压力传感器、一控制盒和一直流电源， 所述反应器装置的反应器用聚乙烯板制成，具有一定容积，内装有填料，所述盖板位于反应器之上，盖板与反应器连接位置处对称布置微压力传感器， 可移动插板等间距布设在盖板的插槽上，可移动插板内装有纳米合成金属氧化物电极产品，可移动插板和盖板与直流电源之间采用有线电连接，石墨电极分别紧贴在反应器两侧的壁上，与直流电源电线连接， 反应器两端分别连接一出水管和进水管，所述滤芯位于出水管和反应器之间，所述控制盒控制进水阀的开关以及直流电源的开关，以及将测水量数据上传至计算机，计算机根据进水量、通电时间和除污效果打印报告。2.根据权利要求1所述的基于石墨烯的水处理装置，其特征在于， 所述金属氧化物电极为单层氧化铁电极;所述滤芯由多孔骨材和缠绕在其上的粗纱组成，粗纱中含有聚苯硫醚纤维、聚酯纤维、聚丙烯纤维、聚酰胺纤维、棉纤维中的一种或几种。3.根据权利要求1所述的基于石墨烯的水处理装置，其特征在于 所述微压力传感器为四个，均匀布置在反应器边沿，控制盒实时采集压力传感器信号，并传输给计算机，计算机根据所测压力判断金属氧化物电极的使用状况，当金属氧化物电极的重量变化超过预设值，控制盒发出预警信息，提示用户更换可移动插板内的纳米合成金属氧化物电极产品。4.一种利用权利要求1-3任一项所述的基于石墨烯的水处理装置进行水处理的方法，其特征在于， 所述纳米合成金属氧化物电极产品是基于石墨烯合成得到单层金属氧化物，包括预处理、合成单层氧化铁以及制作单层氧化铁电极。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于， 预处理包括碱洗、喷砂和刻蚀步骤； 第1.1步碱洗:为了去除铁板表面的油渍，将乳制打磨后的铁板放入沸腾的5%Na—2C03溶液中，保持Ih，取出后在80° C等离子清洗机中清洗5min;第1.2步喷砂:除去表面的氧化膜，露出金属表面，并使表面粗化，提高表面积，在金刚砂粒度为120-150μπι、空气压力为3.5 X 15Pa的条件下将表面清洁平整的纯铁板进行喷砂处理，喷砂后用大量的自来水清洗，再用去离子水清洗，以除去表面残留的砂粒和金属肩；第1.3刻蚀步:为了获得均匀的腐蚀坑，将铁板放入10%草酸溶液中进行刻蚀，在95° C保持2h，取出后放入80° C等离子清洗机中清洗1分钟，烘干。6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，合成单层氧化铁步骤包括: 第2.1步合成单层氧化铁-石墨烯GRC12:将含有月桂酸的亚铁溶液在控制酸碱度的条件下缓慢氧化，得到的单层氧化铁-石墨烯GRC12在控氧条件下用酒精清洗后冷冻干燥； 第2.2步氧化单层氧化铁-石墨烯GRC12:将干燥好的GRC12暴露在空间中，适度氧化； 第2.3步分层氧化后的单层氧化铁-石墨烯GRC12得到单层氧化铁:将氧化后的单层氧化铁-石墨烯GRC12分散在NaOH溶液中，得到的悬浊液经过酒精溶液清洗干净后，即可得到单层氧化铁溶液。7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，制作单层氧化铁电极步骤包括: 第3.1步二维电极制作:氧化铟锡电极首先在聚二甲基二烯丙基氯化铵浸泡充分，清水冲洗后在单层氧化铁溶液浸泡，即可得到一层氧化铁电极;重复以上步骤，即可得到多层氧化铁电极； 第3.2步多维电极制作:在传统的二维电解电极间装填工作电极，形成多维电极结构，而工作电极的镀层方法采用第2.1步所述方法； 第3.3步单层氧化铁-石墨烯电极多维电极制作:利用层层组合法，交替的度上单层氧化铁和石墨烯，采用第2.1步所述方法。
【文档编号】C02F1/461GK105836851SQ201510718475
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2015年10月29日
【发明人】黄理志
【申请人】黄理志